DE3833326A1 - Nockenwelle und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen u.dgl. Insbesondere betrifft die Erfindung Nockenwellen und Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen, bei denen einzeln hergestellte Nocken und Lagerelemente an einem hohlen Rohr dadurch befestigt werden, daß das Rohr durch einen verlorenen Kern nach außen verformt wird, der gesichert in seiner Stellung belassen wird, um eine Dichtung in dem Rohr zu bilden.

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen bezüglich hoher Leistungsfähigkeit, geringen Unterhaltungsaufwands und besserer Kraftstoffausnutzung ist es erwünscht, Nockenwellen für Kraftfahrzeuge leichter und dauerhafter zu machen. Es sind Nockenwellen entwickelt worden, die getrennt hergestellte Nockenelemente für eine bessere Verschleißwiderstandsfähigkeit sowie ein Stahlrohr zur Gewichtseinsparung aufweisen.

Diese Arten von Nockenwellen werden dadurch hergestellt, daß die einzelnen Komponenten, wie Nocken und Lagerelemente, auf einem getrennten, hohlen Rohr zusammengefügt werden, worauf die zusammengefügten Elemente miteinander verbunden werden. Jedoch weisen diese zusammengefügten Nockenwellen und deren Herstellungsverfahren viele Nachteile auf, die zeitaufwendige Arbeits­ schritte beim Zusammenfügen, hohe Anforderungen an die zum Zusammenfügen aufzuwendenden Kräfte und schließlich übermäßige Genauigkeit in den Toleran­ zen erfordern. All dieses hat eine kostspielige Herstellung zur Folge.

US-PS 45 97 367 offenbart eine zusammengefügte Nockenwelle die aus einem expandierbaren Stahlrohr und getrennt gehärteten Nocken und Lagerelementen gebildet ist. Die Elemente werden durch mechanische Expansion des Rohres miteinander verbunden. Ein runder Formkern wird durch das Rohr gedrückt oder gestoßen, um die Rohrwand nach außen aufzuweiten, um einen dichten Eingriffssitz mit sechseckigen Öffnungen in den Nocken und Lagerelementen zu schaffen. Die in dieser Druckschrift offenbarte Herstellungsweise erfor­ dert einen hohen Kraftbedarf, da sowohl der innere Durchmesser als auch der äußere Durchmesser des Rohres vollständig aufgeweitet wird. Zusätzlich muß der Formkern, nachdem er durch das Rohr hindurchgedrückt worden ist, langsam durch das Rohr hindurch zurückgezogen werden, um den Metall-Zu-Metall- Kontakt auf ein Minimum zu bringen. Somit erfordert dieses Herstellungsver­ fahren einen hohen Kraft- und Zeitaufwand.

Wenn es erwünscht ist, das hohle, die Nockenwelle bildende Rohr abzudichten oder zuzustopfen, sind ferner getrennte Herstellungs- und Zusammenbau- Schritte erforderlich. Gas Verschließglied muß mit engen Toleranzen herge­ stellt werden, so daß es sicher in das hohle, verformte Nockenwellenrohr hineinpaßt und dieses abdichtet. Sonst müßte eine getrennte Abdichtopera­ tion, beispielsweise ein Löten, durchgeführt werden. Somit erfordert eine Nockenwelle mit einem zugestopften Rohr zusätzliche Herstellungsschritte und teure Toleranzüberwachung.

Durch die Erfindung wird eine neue Anordnung einer abgedichteten Nocken­ welle geschaffen, die aus getrennt hergestellten Elementen zusammengefügt ist, sowie ein neues Verfahren zur Herstellung dieser Anordnung. Die Erfin­ dung liefert somit eine verbesserte, abgedichtete Nockenwellenkonstruktion. Zusätzlich vereinfacht oder eliminiert das neue Verfahren zur Herstellung der Nockenwelle Verfahrensschritte, die bei bisher bekannten Verfahren notwendig waren.

Die Erfindung ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Demgemäß wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, mit dem einzelne Nockenelemente und Lagerelemente auf einem Rohr dadurch verriegelt werden, daß das Rohr örtlich verformt wird.

Bei der Erfindung wird ein Formstopfen nach Art eines verlorenen Kerns verwendet, der dazu benutzt werden kann, das Rohr derart zu verformen, daß die einzelnen Elemente auf dem Rohr verriegelt werden, wobei der Form­ stopfen dann in dem Rohr als Abdichtungsstopfen verbleibt.

Durch die Erfindung wird somit eine Nockenwelle mit hoher Leistungsfähig­ keit und geringen Kosten geschaffen sowie ein Herstellungsverfahren, das allgemein verfügbare Materialien verwendet und das leicht durchgeführt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines Teils einer Nockenwelle;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Teils der Nockenwelle;

Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Teils der Nockenwelle längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Vorderansicht des Formstopfens;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Formstopfens.

Die gemäß der Erfindung hergestellte Nockenwelle 10 weist ein hohles Stütz­ rohr oder eine hohle Stützwelle 12 auf, das bzw. die vorzugsweise aus nor­ malem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist, der örtlich in einer im folgenden zu beschreibenden Weise aufgeweitet wurde. Fest auf dem Rohr 12 angeordnet ist eine Vielzahl von Nockenelementen 14 und Lager­ elementen 16. Diese Elemente sind in Längsrichtung längs der Welle 12 mit Abständen angeordnet. Die Nockenelemente 14 sind winkelmäßig in einer vor­ bestimmten Phasenbeziehung versetzt zueinander angeordnet, um die Ventile einer Verbrennungskraftmaschine zu betätigen. Die Nockenelemente 14 und die Lagerelemente 16 sind getrennt hergestellt, um die bestmöglichen Eigen­ schaften hinsichtlich Verschleißwiderstandsfähigkeit aufzuweisen.

Sie können durch maschinelle Bearbeitung (spangebend oder spanlos) oder durch Pulvermetalltechniken beispielsweise hergestellt werden.

Die Anordnung liefert eine Nockenwelle mit geringem Gewicht und hoher Stärke aufgrund der hohlen, rohrförmigen Abstützung und aufgrund der getrennt hergestellten Elemente hoher Stärke.

Die Nockenwelle 10 wird gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt:

Die Elemente der Nockenwelle 10, die eine hohe Verschleißfestigkeit haben sollen, wie beispielsweise die Nockenelemente 14 und die Lagerelemente 16, werden mit relativ engen Endtoleranzen durch individuelle Verfahren herge­ stellt. Ein geringer Betrag von überschüssigem Material wird für ein späteres Schleifen nach dem Zusammenbau stehengelassen. Wie Fig. 3 zeigt, ist jedes Element 14, 16 mit einer axialen Öffnung 18 versehen, die vorzugsweise eine allgemein ausgebogte oder gezahnte Kreisform hat. Eine Anzahl von mit gleichen Abständen angeordneten, sich axial erstreckenden Nuten 19 bildet einen ausgebogten oder gezahnten Rand um die allgemein kreisförmige Öffnung 18 herum. Es kann jede beliebige Zahl von Nuten 19 verwendet werden, beispielsweise etwa vier bis zwölf Nuten 19. In der Zeichnung ist eine Öffnung 18 mit acht Nuten 19 dargestellt.

Das zentrale Rohr 12 oder die Welle 12 ist aus einem Stahlrohr mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit den geeigneten äußeren und inneren Durchmessern herge­ stellt. Das Rohr 12 wird auf die gewünschte Länge der Nockenwelle abgeschnit­ ten. Der äußere Durchmesser des Rohres 12 ist vorzugsweise derart, daß er dicht, aber leicht in die vorgeformten Öffnungen 18 in den Elementen 14 und 16 hineinpaßt. Der innere Durchmesser des Rohres 12 ist so gewählt, daß er eine ausreichende Wandstärke für die Herstellung bietet, wobei gleich­ zeitig die Verformung durch mechanische Aufweitung in einer im folgenden zu beschreibenden Weise begrenzt ist.

Die einzelnen Nockenelemente 14 und Lagerelemente 16 werden in ein Werkzeug eingesetzt, das sie in einer gewünschten Orientierung positioniert. Die Öffnungen 18 werden dabei für das Einsetzen des Rohres 12 in axialer Richtung ausgerichtet. Dann wird das Rohr 12 durch die ausgerichteten Elemente 14, 16 in eine vorbestimmte Längsstellung eingesetzt.

Ein Formstopfen 20, der einen verlorenen Kern bildet, wird als Verformungs­ werkzeug oder Aufweitwerkzeug für die mechanische Verformung des Rohres 12 verwendet. Fig. 4 und 5 zeigen den Formstopfen 20. Der Formstopfen 20 hat eine im allgemeinen kreisförmige Gestalt. Der äußere Umfang trägt eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter Vorsprünge 22. Die Vorsprünge 22 passen zu der Form der Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Elemente 14, 16. Der durchschnittliche oder wirksame Durchmesser des Stopfens 20 ist gering­ fügig größer als der ursprüngliche Innendurchmesser des Rohres 12. Die vorausgehende Kante des zylindrischen Stopfens 20 hat eine leichte Abschrä­ gung oder Verjüngung 24, die so berechnet ist, daß sich ein leichter Preßsitz oder Dehnsitz mit dem Innendurchmesser des zu bearbeitenden Rohres 12 ergibt. Die Vorsprünge 22 verformen ihrerseits den Innendurchmesser des Rohres 12 in dem Maß, daß örtliche Aufweitungen oder Vorsprünge 30 an der Außenseite des Rohres 12 gebildet werden. Wegen ihrer Anordnung in einem Werkzeug sind die entsprechenden Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Nocken­ elemente 14 und der Lagerelemente 16 mit diesen Ausweitungen oder Vorsprüngen 30 ausgerichtet. Diese örtlichen Aufweitungen füllen die Nuten 19 aus und treten vor und hinter den Nocken- und Lagerelementen 14, 16 als überschüssi­ ges Material nach außen. Die örtliche Verformung des Metallrohres 12 bewirkt, daß die Nocken- und Lagerelemente 14, 16 axial und radial an dem hohlen Rohr 12 verriegelt werden.

Wenn der den verlorenen Kern bildende Formstopfen 20 durch das hohle Rohr 12 bis in eine vorbestimmte axiale Stellung jenseits aller an der Welle 12 zu befestigenden Elemente 14, 16 vorgeschoben worden ist, wird der verlorene Kern 20 von dem Vorschubwerkzeug freigegeben. Das Vorschubwerkzeug kann nun leicht und schnell aus dem Rohr 12 zurückgezogen werden, und zwar mit geringem Kontakt zwischen Metall und Metall. Der Kern 20 bleibt als Stopfen oder Abdichtung in dem Rohr 12. Es sind keine zusätzlichen Herstellungs- oder Zusammenbauschritte erforderlich, um dieses Ende des Rohres 12 abzu­ dichten. Hierdurch werden die zum Abdichten des Rohres 12 notwendigen Arbeitsschritte um die Hälfte vermindert.

Die zusammengefügte, noch nicht fertige Nockenwelle 10 kann nun aus dem Werkzeug entnommen werden, und die Verschleißflächen der Nocken 14 und der Lagerelemente 16 werden in irgendeiner herkömmlichen Weise auf die Endabmessungen geschliffen.

Die Ausbildung der Nockenwelle 10 und das Herstellungsverfahren bieten die Vorteile geringen Gewichts in Verbindung mit einer relativ einfachen und kostengünstigen Herstellung. Zusätzlich sind für die Ausbildung der zugestopften Nockenwelle 10 weniger Herstellungsschritte erforderlich, und die Werkzeugtoleranzen für eine Abdichtung sind erleichtert, da der Formkern 20 auch gleichzeitig eine Dichtung darstellt und als Dichtungs­ stopfen verwendet wird.

Claims (3)

1. Nockenwelle, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Nockenelementen (14) und Lagerelementen (16), die jeweils eine axiale Öffnung (18) aufweisen, die eine allgemein kreisförmige Gestalt mit sich axial erstreckenden Nuten (19) hat; ein hohles Rohr (12), das sich axial durch die Öffnun­ gen (18) hindurch erstreckt und in einem gegenseitigen Überlagerungs­ eingriff mit den Elementen (14, 16) steht; axiale Vorsprünge (30), die auf der äußeren Wand des Rohres (12) gebildet sind und in Überlagerungs­ eingriff mit den Nuten (19) der Öffnungen (18) stehen; sowie ein Stopfen (20), der eine Gestalt hat, die zu der Gestalt der Öffnungen (18) in den Elementen (14, 16) komplementär ist, und der in Überlagerungseingriff mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) steht.

2. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Bereitstellung einer Vielzahl von Nockenelementen (14) und Lagerelementen (16) die jeweils eine axiale Öffnung (18) aufweisen, die eine allgemein kreisförmige Gestalt mit sich axial erstreckenden Nuten (19) hat,
• - Anordnung dieser Elemente (14, 16) in einer vorbestimmten Winkel- und Axialstellung auf einer gemeinsamen Achse, wobei die Öffnungen (18) miteinander ausgerichtet werden,
• - Einsetzen eines hohlen Rohres (12) in die Elemente (14, 16) in eng passender Beziehung zu den Öffnungen (18),
• - Bereitstellung eines Formstopfens (20), der eine Gestalt komplementär zu der Gestalt der Öffnungen (18) und einen allgemeinen Durchmesser hat, der größer ist als der Innendurchmesser des Rohres (12),
• - Durchdrücken des Formstopfens (20) durch das Rohr (12) bis in eine vorbestimmte Stellung, um die Wand des Rohres (12) nach außen zu verformen,
• - Aufweiten des hohlen Rohres (12) in mechanischen Überlagerungseingriff mit allen Öffnungen (18) der Elemente (14, 16), um so die Elemente (14, 16) dauerhaft auf dem Rohr (12) in der vorbestimmten Orientierung zu sichern,
• - und Verstopfen bzw. Abdichten des hohlen Rohres (12) dadurch, daß der Formstopfen (20) in dichtem, mechanischem Überlagerungseingriff mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) an der vorbestimmten Stellung belassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken des Formstopfens (20) durch ein Werkzeugglied einer Maschine verursacht wird, das leicht zurückgezogen werden kann, nachdem der Formstopfen (20) die vorbestimmte Stellung erreicht hat.